一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置的制作方法

本实用新型涉及电气工程领域，尤其涉及一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置。

背景技术：

电流互感器是电力系统中一种不可或缺的电力设备，用于对电流进行测量，后端合并单元控制台根据测量的结果对电力进行有效的分配，实现继电保护和对系统的监控。电磁式电流互感器是目前广泛应用的一种传统电流互感器，但由于其具有磁滞效应与磁饱和问题使得测量动态范围较小。并且电磁式电流互感器有油易燃易爆，绝缘困难使得存在很大的安全隐患。因此电磁式电流互感器已不能满足现代工业的需求。

全光纤电流互感器(FOCT:Fiber Optical Current Transducer)采用磁光晶体的法拉弟效应，通过非导体传感的一种测量方法。全光纤电流互感器具有体积小、重量轻、安全性高、测量精度高等优点，从上世纪六十年代发展至今已经取得了长足的发展。全光纤电流互感器能有效地对电网中高压大电流电能输送进行检测，提高检测抗干扰能力与测量精度。但是，这些都是假设光纤系统以及空间信号和传播环境特性在理想情况下得到的。在实际工程应用中，全光纤电流互感器仍然面临一些工艺方面的问题，如四分之一波片制作误差和传感光纤双折射都对测量精度的确定影响，外界环境的温度变化和振动扰动对测量精度会造成误差。在实际应用系统中，法拉第效应引起的相移十分微弱，相位调制系统常会存在一些误差，比如在光源耦合过程中，由于手工操作或者仪器精度不够等因素使得光源耦合位置存在误差，以及光纤在使用过程中的受损程度等都会引起系统失配误差，使得在理想条件下理论分析得到的测量性能不再有效，全光纤电流互感器对这些失配误差极为敏感。因此对于一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置的研究，有助于提高全光纤电流互感器测量系统的稳健性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置及方法。通过通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置，由光强检测单元、信号放大单元以及信号处理(DSP)单元组成，信号处理(DSP)单元还包括电源、模数转换单元、存储单元及数字显示单元；光强检测单元中的光敏传感器测得全光纤电流互感器中的相位调制器的检测光源的光强，通过信号放大单元的信号放大三极管将所测得信号放大，再经过模数转换单元转换为数字信号后传入信号处理(DSP)单元进行处理，并将处理后数据返回存储单元中，数字显示单元读取存储单元数据并在其数字屏上显示。

一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿方法，步骤如下：

A、光强检测单元中的光敏传感器测得全光纤电流互感器中的相位调制器的检测光源的光强，通过信号放大单元的信号放大三极管将所测得信号放大，再经过模数转换单元转换为数字信号后传入信号处理(DSP)单元进行处理；

B、信号处理(DSP)单元进行(DSP)校正，调制相位扰动补偿；最终通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，通过补偿能减小因实际制作中光纤非匹配性、非对称性带来的耦合器相位的微小偏移误差，从而提高全光纤电流互感器性能，满足继电保护系统的使用要求。

具体的，步骤B中的补偿算法主要步骤为：

(1)、将感兴趣区域离散化，并初始化问题参数K_m、ε，给定最大迭代次数T，得到初始加权向量w₀，然后得到一个初始电磁波幅值E₀(θ_m)，并令迭代数i＝0；

(2)、调整加权函数F_i+1(θ_m)，再得到新的协方差矩阵R_i+1和互相关向量g_i+1；

(3)、计算新的加权向量，得到一个新的电磁波幅度值E_i+1(θ_m)；将算法迭代次数递增，即i＝i+1；

(4)、计算误差表达式e_m＝|E_i+1(θ_m)-E_d(θ_m)|,m＝1,2,…,M；如果e_m≤ε，或者迭代次数超出最大的迭代数T_max，停止迭代；否则，转到步骤(2)。

本实用新型通过加权最小均方误差准则调制全光纤电流互感器中光源相位扰动，该装置实时监测相位调制系统中存在误差，通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位求解全光纤电流互感器中相位调制器的调制角度，从而减小因实际制作中光纤非匹配性、非对称性带来的耦合器相位的微小偏移误差，提高全光纤电流互感器性能。可以减小光在光纤中传播时，由于各种原因将引起光的偏振态不稳定性，使得全光纤电流互感器在实际应用中性能提高，具有工程应用价值。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述：

图1是本实用新型的结构框图。

图2是光强检测单元与信号放大单元的结构框图。

图3是信号处理(DSP)单元的结构框图。

图4是应用示例优化相位图。

图5是测试系统结构图。

图6是基准信号与FOCT测试信号关系曲线。

具体实施方式

本实用新型的补偿装置是通过在相位调制器中增加光强检测单元实现对经过保偏延时光圈的线偏正光进行光强调制。全光纤电流互感器的工作结构如图1所示，光源发出的光经1:1普通耦合器11分光后被光纤偏振器13起偏为线偏振光，光纤偏振器的尾纤与相位调制器12的尾纤以45°熔接。线偏光以45°注入保偏光纤被平分为两份，分别沿x轴和y轴向前传播。当这两束正交模式的光经过λ/4波片14后，分别变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。由于受到导线中的电流产生的磁场作用，左右旋圆偏振光以不同的速度传播，从而引起光波相位变化。光在由传感光纤端面的反射镜15反射后，这两束圆偏振光的偏振模式互换，即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光，再次通过传感光纤而再次受到磁场作用，使受到的作用效果加倍。这两束返回的光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并且原来沿保偏光纤轴传播的光变为沿保偏光纤y轴传播，原来沿保偏光纤y轴传播的光变为沿保偏光纤x轴传播。分别沿保偏光纤x轴、y轴传播的光在光纤偏振器处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进探测器。

请一并结合图2和3，本实用新型的全光纤电流互感器调制相位扰动补偿装置，由光强检测单元1、信号放大单元2以及信号处理(DSP)单元3组成，信号处理(DSP)单元3还包括电源9、模数转换单元6、存储单元8及数字显示单元7；光强检测单元1中的光敏传感器4测得全光纤电流互感器中的相位调制器12的检测光源10的光强，通过信号放大单元2的信号放大三极管5将所测得信号放大，再经过模数转换单元6转换为数字信号后传入信号处理(DSP)单元3进行处理，并将处理后数据返回存储单元8中，存储单元8存储了由外部测量单元所测信号以及经过信号处理单元(DSP)所处理的数据，数字显示单元7能够直接从存储单元8中读取数据并在显示屏上显示。

一种全光纤电流互感器调制相位扰动补偿方法，通过通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位。具体为：首先，光强检测单元1中的光敏传感器4测得全光纤电流互感器中的相位调制器12的检测光源10的光强，通过信号放大单元2的信号放大三极管5将所测得信号放大，再经过模数转换单元6转换为数字信号后传入信号处理(DSP)单元3进行处理。然后，信号处理(DSP)单元3进行DSP校正，调制相位扰动补偿；最终通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，通过补偿能减小因实际制作中光纤非匹配性、非对称性带来的耦合器相位的微小偏移误差，从而提高全光纤电流互感器性能，满足继电保护系统的使用要求。

请一并参照图1，针对全光纤电流互感器，在其工作过程中，由于加在光学介质上的外部磁场会使通过光学介质的偏振光发生偏振面的旋转。偏振状态可以用沿z轴传播的偏振椭圆表示为：

其中(ε,τ)分别表示椭圆极化角和极化方向角。E_x,E_y为x轴方向和y轴方向平面波。||E||e^jψ表示信号包络。x轴方向和y轴方向平面波比值为：

其中δ表示x轴方向和y轴方向极化方向角之差。表示偏振光振幅比。一般情况下偏振光光强为：

通过理想化偏振态的正交矩阵我们可以研究光纤电流互感器光路器件。

在实际应用系统中，由于很多因素以及外部环境极为恶劣等因素使得全光纤电流互感器光路器件中各参数随着时间会发生变化，也造成系统存在不匹配误差，使得实际的全光纤电流互感器光路器件中偏振态的矩阵向量不再等于理想的响应向量。

假设频率为f_c的光源信号以方位角θ入射到光纤，则理想情况下的响应向量可以表示为：

式中[·]^T表示转置矩阵。E_ox(θ),E_oy(θ)分别为方位角θ的电磁波在x方向，y方向电磁矢量，且有：

式中a_ox(θ),β_ox(θ)和a_oy(θ),β_oy(θ)分别为电磁波在x轴与y轴的幅度响应和相位响应。在全光纤电流互感器制作过程中由于人为引起或仪器精度等原因，使得耦合光源位置在校正之后，相对于标定位置会存在偏差，从而使得全光纤电流互感器对耦合光源信号有不同的相移。因此，当光源通过光纤时延圈位置存在偏差时，等效为在系统响应向量中引入了一个依赖信号入射方向的相移误差。存在误差时，电磁波响应向量可以写为：

式中为存在相位误差的电磁波，Δa_ox(θ),Δa_oy(θ)和Δβ_ox(θ),Δβ_oy(θ)分别为电磁波幅度和相位响应的误差部分。因此，在实际中如不进行相位调整而根据理想偏振太矩阵计算得到的光源耦合向量，势必会使全光纤电流互感器性能大大降低。

考虑全光纤电流互感器中存在相位误差的电磁波在给定的角度区域上得到幅度响应|E(θ)|优化近似于期望幅度响应E_d(θ)。由于有：

E_d(θ)＝w^H[E_ox(θ),E_oy(θ)]^T (7)

式中w为修正加权系数向量，且w＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，M为θ离散维度。基于最小均方误差准则，当光纤中电磁波经过保偏光纤时延圈后存在误差时，相位调整问题可以表示为：

min J＝min||F(θ)(|E(θ)|-E_d(θ))||² (8)

其中F(θ)为相位修正矩阵。将信号角度区域Θ划分为N个离散角度点，得到相位优化问题转化为：

优化问题目标代价函数为一个线性函数，可以通过加权协方差矩阵R与加权互相关向量g展开为：

得到优化加权向量为

w＝R^-1g (11)

加权函数可以通过如下的方式进行调整：

式中ε为设计光源相位与实际光源相位之间的允许误差值，K_m是迭代增益。

综上所述，全光纤电流互感器调制相位补偿算法步骤具体为：

(1)、将感兴趣区域离散化，并初始化问题参数K_m、ε，给定最大迭代次数T，根据式(11)得到初始加权向量w₀，由式(7)得到一个初始电磁波幅值E₀(θ_m)，并令迭代数i＝0。

(2)、根据式(12)调整加权函数F_i+1(θ_m)，再通过式(10)得到新的协方差矩阵R_i+1和互相关向量g_i+1。

(3)、通过式(9)计算新的加权向量，由(7)得到一个新的电磁波幅度值E_i+1(θ_m)。将算法迭代次数递增，即i＝i+1。

(4)、计算误差表达式e_m＝|E_i+1(θ_m)-E_d(θ_m)|,m＝1,2,…,M。如果e_m≤ε，或者迭代次数超出最大的迭代数T_max，停止迭代；否则，转到步骤(2)。

电流互感器肩负着提供电能计量参数和提供继电保护以及测量控制的动作依据等重要使命，而传统电磁互感器的技术局限性越来越明显，弊端也越来越突出，因此光纤电流互感器成为主要的研究和发展方向。由于当光在光纤中传播时，由于各种原因将引起光的偏振态不稳定存在，使得全光纤电流互感器在实际应用中性能降低，本实用新型的补偿方法在分析全光纤电流互感器误差模型基础上，基于加权最小均方误差准则提出了调制相位扰动补偿方案。通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，通过补偿能减小因实际制作中光纤非匹配性、非对称性带来的耦合器相位的微小偏移误差，从而提高全光纤电流互感器性能，满足继电保护系统的使用要求。

具体应用示例及系统构建

普通的单模光纤由于受工艺和环境的影响，会存在一定的线双折射，而且是随机分布和随机变化的。考虑一个光信号进入单模光纤光纤折射率n₁＝1.466，包层折射率n₂＝1.458。其光信号相对于采样频率f_s的频率带宽为Ω＝[0.24 0.36]，且归一化采样频率f_s＝1。将光信号频率带宽Ω离散化成K＝9个子频率窄带，期望光信号入射方向θ为椭圆轴向方向夹角，设入射方向为θ＝0°，在角度区域Θ＝[-90° 90°]上进行优化设计。将角度区域Θ以角度间隔3°进行离散化，得到N＝61个离散角度。根据给出的调制相位扰动补偿方法，在整个离散角度点上对加权函数进行迭代，设定初始加权函数为F(θ_m)＝1(m＝1,2,…,M)。要求经过相位调制后光信号能量趋近于给定的期望信号能量E_d(θ)＝cos²(θ)，其他相位能量在-40dB以下。设定耦合相位[-12° 12°]，选定迭代增益K_m＝1，设计能容忍的误差最大值为ε＝0.0005，经过120次迭代得到如图4所示的优化相位图。从图4中可以看出，各子频率光束拟合在一起不随频率的变化而改变，得到整个信号带宽范围内的频率不变相关相位。

为了测试全光纤电流互感器在存在光的偏振态不稳定时，相位补偿效果，搭建了测试系统，其结构如图5所示。图5中合并单元发出两路触发信号，一路触发待测全光纤电流互感器输出信号，另一路触发基准信号。两路信号通过合并单元进入上位机进行误差分析。在实验室室温下，校准信号和输出信号中的交流信号由示波器测量，输出信号中的直流信号有数字万用表测量，读取不同输入电流时交流信号与直流信号的响应值，测量结果如图6曲线所示。

通过比较参考交流信号与直流信号的比值与输入电流的关系值与实际全光纤电流互感器测试值，从图6可以看出全光纤电流互感器在进行了调制相位扰动补偿方法后在小信号时，系统的线性度得到提高。

电流互感器肩负着提供电能计量参数和提供继电保护以及测量控制的动作依据等重要使命，而传统电磁互感器的技术局限性越来越明显，弊端也越来越突出，因此光纤电流互感器成为主要的研究和发展方向。由于当光在光纤中传播时，由于各种原因将引起光的偏振态不稳定存在，使得全光纤电流互感器在实际应用中性能降低，本专利在分析全光纤电流互感器误差模型基础上，基于加权最小均方误差准则提出了调制相位扰动补偿方案。通过引入加权函数因子，不断迭代加权函数得到期望调制相位，并搭建了实验系统对测试数据进行了分析，取得了较好的实验结果。

本实用新型不局限于上述实施例，实施例只是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。